KR20060050326A

KR20060050326A - 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR20060050326A
Application number: KR1020050072730A
Authority: KR
Inventors: 고로 후지따; 겐지 기부네; 히로끼 가부모또
Original assignee: 산요덴키가부시키가이샤
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2006-05-19
Also published as: US20060035125A1; KR100715381B1

Abstract

본 발명의 과제는 메탄올 수용액의 온도 관리와, 전극에서의 메탄올 산화 반응의 활성과 고체 분자막의 열화의 억제를 고려한 DMFC의 온도 관리를 적절하게 실현하는 DMFC 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명은 액체 연료를 이용하여 발전하는 연료 전지와, 액체 연료를 연료 전지에 공급하는 연료 공급 수단과, 연료 전지로부터의 배출 물질을 회수하는 배출 물질 회수 수단과, 배출 물질을 냉각하는 열 매체를 배출 물질 회수 수단으로 공급하는 열 매체 공급 수단을 구비하는 연료 전지 시스템에 있어서, 열 매체는 연료 전지를 냉각하는 것을 특징으로 한다.

메탄올 수용액, DMFC 시스템, 연료 정치, 열교환기, 버퍼 탱크

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

도1은 제1 실시 형태의 DMFC 시스템의 구성을 도시한 개략도.

도2는 제1 실시예의 DMFC 시스템의 사시도.

도3은 제1 실시예의 DMFC 시스템의 상면도.

도4는 제1 실시예의 DMFC 시스템의 도3에 있어서의 AA' 단면의 단면도.

도5는 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 시스템 구성도.

도6은 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 연료 전지부에 대해 하우징을 개방한 상면도.

도7은 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 연료 전지부에 대해 하우징을 개방한 정면도.

도8은 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 연료 전지부에 대해 하우징을 개방한 전방면 사시도.

도9는 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 전방면 사시도.

도10은 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 배면 사시도.

도11a는 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 연료 전지부 내의 공기의 흐름을 도시하는 정면도.

도11b는 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 연료 전지부 내의 공기의 흐름을 도시하는 상면도.

도12는 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템을 연료 전지부와 제어부로 분리한 구성을 개략적으로 도시한 시스템 구성도.

도13은 제3 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 시스템 구성도.

도14는 도13의 A-A' 단면을 개략적으로 도시한 시스템 구성 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : DMFC 시스템

110 : DMFC

112 : 캐소드

114 : 애노드

120 : 메탄올 탱크

130 : 버퍼 탱크

132 : 에어 펌프

134 : 액체 펌프

140 : 제어부

160 : 하우징

162 : 공기구

[문헌 1] JP 2004-178818 A

본 발명은 다이렉트 메탄올 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 다이렉트 메탄올 연료 전지 시스템을 안정적으로 운전하기 위한 온도 관리 구조에 관한 것이다.

연료 전지는 수소와 산소로부터 전기 에너지를 발생시키는 장치로, 높은 발전 효율을 얻을 수 있다. 연료 전지의 주된 특징으로서는 종래의 발전 방식과 같이 열 에너지나 운동 에너지의 과정을 경유하지 않는 직접 발전이므로, 소규모라도 높은 발전 효율을 기대할 수 있는 질소 화합물 등의 배출이 적고, 소음이나 진동도 작기 때문에 환경성이 좋은 것 등을 들 수 있다. 이와 같이, 연료 전지는 연료가 갖는 화학 에너지를 유효하게 이용할 수 있고, 친환경적 특성을 갖고 있으므로, 21세기를 짊어지는 에너지 공급 시스템으로서 기대되고, 우주용으로부터 자동차용, 휴대 기기용까지 대규모 발전으로부터 소규모 발전까지 다양한 용도로 사용할 수 있는 장래 유망한 새로운 발전 시스템으로서 주목받고, 실용화를 향해 기술 개발이 본격화되고 있다.

그 중에서도 고체 고분자형 연료 전지는 다른 종류의 연료 전지에 비해 작동 온도가 낮고, 높은 출력 밀도를 갖는 특징이 있고, 특히 최근 고체 고분자형 연료 전지의 일형태로서, 다이렉트 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC)가 주목을 모으고 있다. DMFC는 연료인 메탄올 수용액을 개질하지 않고 직접 애노드로 공급하고, 메탄올 수용액과 산소의 전기 화학 반응에 의해 전력을 얻는 것이고, 이 전기 화학 반응에 의해 애노드로부터는 이산화탄소가, 캐소드로부터는 생성물이 반응 생성물로서 배출된다. 메탄올 수용액은 수소에 비해 단위 부피당의 에너지가 높고, 또한 저장에 적합하고, 폭발 등의 위험성도 낮기 때문에, 자동차나 휴대 기기 등의 전원으로의 이용이 기대되고 있다.

이 DMFC는 40 내지 100 ℃ 정도의 작동 온도 범위를 갖고, 높은 온도 영역에서 작동시키는 쪽이 전극에 있어서의 메탄올 산화 반응의 활성이 높고, 전극의 단위 면적당의 전류 밀도를 크게 할 수 있어 성능이 향상된다. 한편, 메탄올 수용액의 비점은 낮고, 애노드로부터 배출된 배기 메탄올 수용액을 충분히 냉각하여 응축하지 않으면, 메탄올이 외부로 방출되어 메탄올의 소비량이 증가되므로, 애노드에 공급하는 메탄올 수용액과 애노드 혹은 캐소드로부터의 배출물(배기 메탄올 수용액, 생성물)을 열교환하는 구성이 채용되고 있다.

상기와 같이, DMFC는 높은 온도 영역에서 작동시키는 쪽이, 성능이 향상되지만, DMFC를 포함하는 고체 고분자형 연료 전지에 이용되는 고체 고분자막은 유기계 용제에 용해하는 성질을 갖고, 특히 이 용해도는 유기계 용제의 온도를 올림으로써 현저해지므로, DMFC의 작동 온도를 높이고, 75 ℃ 이상의 메탄올 수용액과 고체 고분자막이 접촉하게 되면, 고체 고분자막이 용해되고, DMFC 내부의 고체 고분자막의 열화를 촉진시켜 DMFC의 수명(신뢰성)을 현저히 저하시키게 되는 문제가 있다. 그 래서, DMFC의 온도는 50 내지 70 ℃, 바람직하게는 60 ℃ ±3 ℃의 온도 영역에서 작동시키는 것이 바람직하다.

또한, DMFC에 공급하는 메탄올 수용액은 0.5 내지 4 ㏖/L, 바람직하게는 0.8 내지 1.5 ㏖/L의 농도로 조정한 것을 이용하지만, 메탄올은 64.7 ℃로 비점을 갖기 때문에, 메탄올 수용액의 온도가 65 ℃ 이상이 되면, 메탄올 수용액의 유통 경로에 있어서, 메탄올이 기화되기 쉬워지고, 외부로 방출되어 메탄올의 소비량을 증가시키거나, 전극에 있어서의 메탄올 수용액의 확산성을 저해하거나 하는 등의 문제도 있다.

본 발명은 상기한 과제에 비추어 이루어진 것이며, 메탄올 수용액의 유통 경로에 있어서의 온도 관리와, 전극에서의 메탄올 산화 반응의 활성과 고체 고분자막의 열화의 억제를 고려한 DMFC의 온도 관리를 적절하게 실현하는 DMFC 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 액체 연료를 이용하여 발전하는 연료 전지와, 상기 액체 연료를 상기 연료 전지에 공급하는 연료 공급 수단과, 상기 연료 전지로부터의 배출 물질을 회수하는 배출 물질 회수 수단과, 상기 배출 물질을 냉각하는 열 매체를 상기 배출 물질 회수 수단으로 공급하는 열 매체 공급 수단을 구비하는 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열 매체는 상기 연료 전지를 냉각하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 연료 공급 수단이라 함은, 메탄올 등을 포함하는 액체의 연료를 연 료 전지로 공급하기 위한 배관 등을 말하고, 액티브형의 연료 전지이면 펌프 등의 압송 장치, 혹은 액체 연료를 저장하는 탱크 등을 포함해도 좋다. 또한, 배출 물질 회수 수단이라 함은, 연료 전지의 애노드로부터 배출되는 배기 메탄올 수용액 등의 배기 연료나 이산화탄소, 혹은 캐소드로부터 배출되는 배기 공기 등의 배기 산화제나 생성물을 회수하기 위한 배관 등을 말하고, 필요에 따라서 배출용 펌프나, 발전에 재이용되지 않는 이산화탄소 등의 성분을 분리하여 시스템 밖으로 배출하는 분리기 등을 포함해도 좋다. 상기한 구성에 따르면, 발전에 재이용할 수 있는 배출 물질을 냉각함으로써, 충분히 응축하여 시스템 밖으로 불필요하게 배출하지 않고 순환시킬 수 있고, 게다가 연료 전지의 온도를 안정시키는 것이 가능해진다.

상기한 구성 외에 상기 배출 물질 회수 수단에 설치되어 상기 열 매체와 상기 배출 물질 사이에서 열교환을 행하는 동시에 상기 연료 전지에 공급되는 상기 액체 연료와 상기 배출 물질 사이에서 열교환을 행하는 열교환부를 구비해도 좋다. 열 매체와 배출 물질의 열교환 외에 연료 전지에 공급되는 액체 연료와 배출 물질 사이에서 더 열교환함으로써, 배출 물질은 더 온도가 저하되고, 충분히 응축된다. 또한, 연료 전지에 공급되는 액체 연료는 온도가 상승하고 있으므로, 애노드에 침투하자마자 메탄올 산화 반응이 개시된다.

그리고, 상기 열 매체는 상기 연료 전지 시스템의 외부에 존재하는 유체이고, 상기 연료 전지와 상기 배출 물질을 냉각하여 상기 연료 전지 시스템의 외부로 배출되도록 해도 좋다. 이것에 따르면, 열 매체가 유체이므로, 팬이나 압축기와 같은 열 매체 공급 수단에 의해 연료 전지 시스템 내에 열 매체를 공급함으로써, 이 유체가 연료 전지로부터의 배출 물질이나 연료 전지 자체를 냉각하여 외부로 배출되므로, 간이한 장치에서 연료 전지 시스템의 온도 관리를 하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 연료 전지 시스템의 내부에 설치되어 상기 연료 전지와 상기 배출 물질 회수 수단이 마련되는 연료 전지실과, 상기 연료 전지실에 설치되어 상기 열 매체가 상기 연료 전지실로 유입되는 열 매체 유입부와, 상기 연료 전지실에 설치되어 상기 열 매체가 상기 연료 전지실로부터 유출되는 열 매체 유출부를 구비하고, 상기 연료 전지실을 유통하는 상기 열 매체는 상기 열 매체 유입부로부터만 유입되고, 상기 열 매체 유출부로부터만 유출되도록 해도 좋다. 이에 따르면, 연료 전지실을 유통하는 열 매체의 출입구가 한정되므로, 유통하는 경로나 각 유통로에서의 유량 등도 임의로 설정 가능해지고, 연료 전지 시스템 내의 온도 관리가 용이해진다. 또한, 열 매체가 연료 전지 시스템 외부의 공기 등의 유체인 경우에는 연료 전지실로부터 연료 전지 시스템 내의 다른 부분으로 공기가 출입하는 것이 방지되므로, 수분이 해로운 영향을 미치는 제어부의 전자 부품 등으로 공기와 함께 수증기가 유출되는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 상기 연료 전지와 상기 열 매체 유입부는 인접하도록 배치해도 좋고, 또한 상기 열교환부와 상기 열 매체 유출부는 인접하도록 배치해도 좋다. 이와 같이 배치함으로써, 연료 전지에는 보다 온도가 낮은 열 매체가 공급되고, 열교환부로는 연료 전지로 열교환을 행하여 온도가 상승한 열 매체가 공급되므로, 연료 전지와 배출 물질, 또는 연료 전지로 공급되는 액체 연료를 적절한 온도로 설정하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 연료 전지는 다면 형상을 갖고, 상기 연료 전지 중 적어도 하나의 면은 상기 열 매체의 유통로와 인접하도록 배치해도 좋다. 특히, 연료 전지의 단부판은 금속제의 것이 일반적이고, 방열량이 크기 때문에, 적어도 이 단부판의 면은 열 매체의 유통로와 접촉하도록 하면, 연료 전지의 온도를 적절하게 관리하는 것이 가능해진다.

(제1 실시 형태)

본 실시 형태에 관한 DMFC 시스템(100)의 구성에 대해 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.

도1은 본 실시 형태에 관한 DMFC 시스템(100)의 구성을 도시한 개략도이고, DMFC 시스템(100)은 DMFC(110)와, 20 ㏖/L 이상의 고농도의 메탄올 수용액 혹은 순메탄올이 들어간 메탄올 탱크(120)와, 메탄올 탱크(120)로부터의 메탄올을 1.2 ㏖/L 정도의 농도로 희석하여 DMFC(110)로 공급하는 메탄올 수용액을 저장해 두는 버퍼 탱크(130)와, 전력 변환 장치나 보조 기기류의 제어를 행하는 제어부(140)와, 열교환기(150)와, 하우징(160)과, 축류 팬(170)을 구비하고 있다.

DMFC(110)의 캐소드(112)로는 에어 펌프(132)로부터 공기가 공급되고, 애노드(114)로는 버퍼 탱크(130)로부터 액체 펌프(134)를 거쳐서 메탄올 수용액이 공급된다. 또한, DMFC(110)의 캐소드(112)로부터는 발전에 기여하지 않았던 배기 공기와 반응에 의해 생성된 수분이 배출되고, 애노드(114)로부터 발전에 기여하지 않았 던 배기 메탄올 수용액과 반응에 의해 생성된 이산화탄소가 배출된다. DMFC(110)가 발전할 때의 반응은 발열 반응이므로, DMFC(110)로 공기와 메탄올 수용액을 공급함으로써, DMFC(110)의 온도가 상승한다. 그래서, DMFC(110)에는 서미스터(142) 혹은 리미터를 부착하고, DMFC(110)의 온도가 55 ℃가 되었을 때부터 축류 팬(170)의 운전을 개시한다. 하우징(160)의 축류 팬(170)과 대향하는 위치에는 공기구(162)를 설치함으로써 축류 팬(170)의 운전을 개시하면, DMFC(110)의 주위를 공기가 유통하여 DMFC(110)는 공랭된다. 이에 의해, DMFC(110)의 온도를 60 ±3 ℃로 설정할 수 있다.

에어 펌프(132)가 외부로부터 공기를 공급하므로, 캐소드(112)에 공급되는 공기는 20 내지 25 ℃ 정도이고, DMFC(110)는 축류 팬(170)에 의한 공랭에 의해 온도가 60 ±3 ℃로 설정된다. 이 DMFC(110)로부터의 배기 공기, 수분, 배기 메탄올 수용액, 이산화탄소 등은 70 ℃ 정도에서 배출되므로, DMFC(110)에 공급하는 메탄올 수용액과 열교환하여 배기 공기, 수분, 배기 메탄올 수용액, 이산화탄소 등의 배출물을 응축하는 동시에, DMFC(110)에 공급하는 메탄올 수용액을 미리 따뜻하게 한다. 여기서, 배기 공기, 수분, 배기 메탄올 수용액, 이산화탄소 등으로부터의 배열량의 쪽이 메탄올 수용액을 따뜻하게 하는 데 필요한 열량보다도 크기 때문에, 열교환기(150)도 축류 팬(170)에 의해 공랭한다. 이에 의해, 수분이나 배기 메탄올 수용액은 충분히 응축되므로, 외부로부터 수분을 보급할 필요성이 없어지고, 메탄올이 외부로 방출되어 소비량이 증가하는 것을 방지할 수 있다.

상기와 같은 구성을 실현하기 위한 DMFC 시스템(100)의 구체적인 구조를 실 시예로 설명한다.

(제1 실시예)

도2는 본 실시예의 DMFC 시스템(200)의 사시도, 도3은 DMFC 시스템(200)의 상면도, 도4는 도3의 A-A' 단면에 있어서의 DMFC 시스템(200)의 단면도이다.

제1 실시예에 있어서, DMFC(210), 메탄올 탱크(220), 버퍼 탱크(230), 제어부(240), 열교환기(250), 축류 팬(270)은 각각 도2와 같이 배치되어 공기나 메탄올 수용액을 공급, 배출하기 위한 배관이나 펌프는 280a, 280b와 같이 유닛화되고, DMFC(210)와 열교환기(250)의 양측에 배치되어 있다.

도3에 도시한 바와 같이, DMFC(210)와 배관 유닛(280a, 280b) 사이에는 수㎜ 정도의 간극을 마련하고 있고, DMFC(210)의 양측은 냉각용 공기의 유통로로 되어 있다. 또한, 하우징(260)의 측면(260a와 260b) 및 벽면(264a와 264b)은 이들 면에 의해 둘러싸이는 DMFC(210)를 포함하는 연료 전지실(290)을 외부와 차단하기 위해 DMFC 시스템(200)의 덮개(266)와 밀접하도록 되어 있다. 따라서, 연료 전지실(290)은 공기구(262)로부터만 공기가 공급되고, 축류 팬(270)으로부터만 공기가 배출되는 구조로 하여 DMFC(210)는 공기구(262)로부터의 공기의 유입을 차단하지 않도록 공기구(262)가 설치되어 있는 측면(260a)으로부터 수㎜ 정도 이격한 위치에 배치한다.

다음에, 도4에 도시한 바와 같이, DMFC(210)는 바닥부에 스페이서(216)를 배치하고, DMFC(210)의 양측과 마찬가지로 수㎜ 정도의 냉각용 공기의 유통로를 마련한다. 또한, DMFC(210)의 상면과 덮개(266) 사이에도 수㎜ 정도의 냉각용 공기의 유통로가 생기도록 한다. 본 실시예의 DMFC(210)에서는 상하의 면이 금속제의 단부판(218a, 218b)으로 되어 있고, DMFC(210)의 각 면 중에서도 방열량이 많다. 특히, 바닥부의 단부판(218b)은 애노드로의 메탄올 수용액 공급로와 캐소드로부터의 배기 공기 및 수분의 배출로가 형성되어 있으므로, 온도가 높고 방열량이 가장 많아진다. 따라서, 바닥부에 스페이서(216)를 배치하여 냉각용 공기를 유통시킴으로써, 효과적으로 DMFC(210)를 냉각할 수 있다.

상기와 같이 DMFC(210)의 주위에 수㎜ 정도의 간극을 마련하여 냉각용 공기의 유통로로 함으로써, 공기구(262)로부터 유입한 공기는 DMFC(210)에 있어서 DMFC(210)의 상면, 바닥면 및 양측면을 흘러 DMFC(210)로부터 발전에 의한 반응 열을 빼앗고, 열교환기(250)로 유입한다. 이 때, 열교환기(250)로 유입되는 공기는 DMFC(210)의 온도가 55 ℃를 넘고, 축류 팬(270)이 운전을 개시한 시점에 있어서는 30 내지 35 ℃, DMFC(210)가 60 ℃ 부근에서 통상의 발전 상태일 때에는 40 ℃ 전후가 된다.

도2로 복귀하여 열교환기(250)에는 DMFC(210)의 캐소드로부터 배출된 배기 공기 및 수분과, 애노드로부터 배출된 배기 메탄올 수용액 및 이산화탄소 등이 통상의 발전 상태이면 70 ℃ 정도에서 유입한다. 그리고, DMFC(210)로부터의 수분 및 배기 메탄올 수용액을 충분히 응축하기 위해, DMFC(210)에 공급하는 메탄올 수용액과 공기구(262)로부터 유입하여 DMFC(210)의 발전에 의한 반응 열을 흡수한 공기로 냉각한다. 이 열교환에 의해, DMFC(210)에 공급하는 메탄올 수용액은 후술하지만 상온으로부터 35 ℃ 정도였던 것이 60 ℃ 정도까지 따뜻해지고, DMFC(210)로 부터의 수분 및 배기 메탄올 수용액은 40 ℃ 정도까지 냉각된다. 여기서 DMFC(210)로부터 배출되는 이산화탄소는 용매의 온도가 30 ℃를 하회하면 급격히 용해도가 증가하므로, 열교환기(250)에서의 수분 및 배기 메탄올 수용액의 냉각은 35 ℃ 정도까지 하는 것이 바람직하다.

열교환기(250)에서 냉각된 배기 공기, 수분, 배기 메탄올 수용액, 이산화탄소 등은 버퍼 탱크(230)로 유입되고, 여기서 기액 분리된다. 열교환기(250)에서 40 ℃ 정도로 냉각된 배기 공기, 수분, 배기 메탄올 수용액, 이산화탄소 등이 버퍼 탱크(230)로 유입되고, 통상 버퍼 탱크(230)의 속은 35 ℃ 정도로 되어 있고, 여기서 배기 공기, 이산화탄소 등의 기체 성분은 외부로 방출되고, 수분, 배기 메탄올 수용액은 다시 DMFC(210)로 공급된다.

〔그 밖의 사항〕

상기 제1 실시예에 있어서, 공기구(262)는 DMFC(210)에 대해 상면, 바닥면 및 양측면에 균등하게 냉각용 공기가 유통하도록, 상하 좌우 대칭이 되도록 설치하였지만, 예를 들어 상면과 바닥면으로부터의 방열량이 측면보다도 커지는 경우에는 상면과 바닥면에 흐르는 공기의 양이 많아지도록 공기구(262)의 위치나 치수, 스페이서(216)의 높이 치수, DMFC(210)와 덮개(266)까지의 거리를 변경하면 된다.

연료 전지실(290)로는 공기구(262)로부터 공기가 유입되어 축류 팬(270)으로 공기를 배출하도록 하였지만, 축류 팬(270)으로 공기를 연료 전지실(290)로 도입하고, 공기구(262)로부터 배출하도록 해도 좋다. 단, 이와 같은 경우에는 공기구(262) 근처에 열교환기(250)를 배치하고, 축류 팬(270) 근처에 DMFC(210)를 배치하 는 쪽이 열 밸런스를 상기 제1 실시예와 마찬가지로 취할 수 있는 것이라 생각된다. 또한, 상기 제1 실시예에서는 공기의 배출에 축류 팬(270)을 이용하였지만, 연료 전지실(290)에 외부로부터의 공기를 취입하기 위한 장치이면, 축류 팬(270)으로 한정되지 않고, 시로코팬, 콤플레서 등이라도 좋다.

(제2 실시 형태)

본 실시 형태는 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 연료 전지 시스템의 보조 기기류가 소비하는 전력을 가능한 한 저감시킬 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

연료 전지가 발전할 때의 전기 화학 반응은 발열 반응이므로, 상기와 같이 애노드에 공급하는 메탄올 수용액은 순환하고 있는 동안에 서서히 온도가 상승하여 외기 온도보다 5 내지 40 ℃ 정도 높은 온도에서 순환하고, DMFC의 작동 온도보다 5 내지 10 ℃ 정도 낮은 온도까지 따뜻하게 되어 공급된다.

이에 대해, DMFC의 캐소드에 공급되는 산소는 DMFC 시스템 외부의 공기를 에어 펌프 등의 공급 수단을 이용하여 외기 온도와 같은 정도의 온도에서 직접 DMFC로 공급되거나, 혹은 애노드와 마찬가지로 DMFC로부터 배출되는 배출물과 열교환되어 DMFC의 작동 온도보다 5 내지 10 ℃ 정도 낮은 온도까지 따뜻하게 되어 공급된다. 전자의 경우, 40 내지 100 ℃에서 작동하고 있는 DMFC에 10 내지 30 ℃의 공기가 공급되면, 각 셀의 공기 입구 근방의 온도가 내려가므로, 이 부분의 메탄올 산화 반응의 활성이 내려가고, 전류 밀도가 작아지는 문제가 있다. 또한, 셀 내에 있어서 전류 밀도에 변동이 생기기 때문에, 열화 스피드에도 변동이 생겨 급격히 열화가 진행되는 부분이 발생하고, 전체적으로 DMFC의 수명을 짧게 하는 등의 문제도 있다. 한편, 후자의 경우에는 캐소드측의 열교환기도 필요해져 DMFC 시스템의 구성이 커지게 되는 문제 외에, 열교환기에 의해 공기의 공급 경로에서의 압력 손실이 커지기 때문에, 그만큼 용량이 큰 에어 펌프가 필요해져 DMFC 시스템의 보조 기기류의 소비 전력이 커지게 되는 문제가 있다.

(본 실시 형태의 과제를 해결하기 위한 수단)

본 실시 형태는 상기한 과제에 비추어 이루어진 것이며, 연료 전지 시스템의 보조 기기류가 소비하는 전력을 가능한 한 저감시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 실시 형태는 상기 목적을 달성하기 위해, 연료와 공기 중의 산소에 의해 발전하는 연료 전지와, 연료 전지에 공기를 공급하는 공기 공급 수단을 구비하는 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 전지 시스템 외부로부터 공기를 취입하는 동시에 연료 전지 시스템 내부의 공기를 외부로 배출하는 공기 유통 경로를 구비하고, 공기 공급 수단의 공기 취입구는 공기 유통 경로에 설치되는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 공기 취입구로부터는 연료 전지 시스템 내부의 공기가 취입된다. 연료 전지 시스템 내부의 온도는 연료 전지로부터의 발열에 의해 외기 온도보다도 높게 되어 있으므로, 공기 취입구로부터 취입된 공기는 연료 전지 시스템 외부의 공기보다도 온도가 높고, 열교환기 등에 의해 공기를 따뜻하게 한 후 연료 전지로 공급할 필요가 없어진다. 따라서, 에어 펌프 등의 공기 공급 수단이 소비하는 전력을 저감시킬 수 있다.

상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 전지는 공기 유통 경로에 설치되어도 좋다. 또한, 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 연료는 액체 연료라도 좋다. 연료 전지를 공기 유통 경로에 배치함으로써 연료 전지 시스템 내부의 공기를 외부로 배출할 때에 연료 전지를 공랭할 수 있다. 그리고, 최근, 주목을 모으고 있는 DMFC 시스템 등의 액체 연료를 공급하는 타입의 연료 전지에 있어서, 공기 공급 수단 등의 보조 기기류의 소비 전력을 저감시키면서 연료 전지 시스템의 부품 점수를 감소시킬 수 있다.

상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 공기와 연료 전지로부터 배출되는 배출물을 열교환하는 열교환기를 구비하고, 열교환기는 공기 유통 경로에 설치되어 있어도 좋다. 이에 의해, 연료 전지로부터 배출되는 생성물 등의 배출물을 냉각하여 응축할 수 있고, 특히 액체 연료를 공급하는 연료 전지에서는 연료 전지로부터 배출된 액체 연료를 응축하여 연료 전지 시스템 외부로 방출되는 액체 연료의 양을 저감시킬 수 있다.

상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 전지를 포함하는 연료 전지부와, 연료 전지를 제어하는 제어부를 갖고, 연료 전지부와 제어부가 분리 가능하게 구성되어 있어도 좋다. 이에 의해, 발전을 행하는 연료 전지부를 공통화하여 다양한 어플리케이션에 대응시킬 수 있다.

이하에, 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 구성에 대해 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.

(제2 실시예)

도5는 본 연료 전지 시스템(1100)의 구성을 도시한 상면 개략도이다. 연료 전지 시스템(1100)은 애노드에 메탄올 수용액 혹은 순메탄올을 공급함으로써 발전하는 DMFC(1110)와, 16 ㏖/L 이상의 고농도의 메탄올 수용액 혹은 순메탄올이 들어간 메탄올 탱크(1120)와, 메탄올 탱크(1120)로부터의 메탄올을 0.1 내지 2.0 ㏖/L 정도의 농도로 희석하고, DMFC(1110)로 공급하는 메탄올 수용액을 저장해 두는 버퍼 탱크(1130)와, 전력 변환 장치나 보조 기기류의 제어를 행하는 제어부(1140)와, 열교환기(1150)와, 축류 팬(1160)과, 하우징(1170)을 구비하고 있다.

DMFC(1110)의 캐소드로는 에어 펌프(1180)로부터 공기가 공급되고, 애노드로는 버퍼 탱크(1130)로부터 액체 펌프(1182)를 거쳐서 메탄올 수용액이 공급된다. 부호 1184는 에어 펌프(1180)의 공기 취입구이고, 본 연료 전지 시스템(1100)의 중앙부에 설치되어 있다. 에어 펌프(1180)의 공기 취입구(1184)로부터 취입된 공기는 공기 토출구(1186)로부터 DMFC(1110)의 캐소드 입구(1112)로 이송된다. 한편, 액체 펌프(1182)는 버퍼 탱크(1130)로부터 1.2 ㏖/L 정도의 농도로 희석된 메탄올 수용액을 액체 취입구(1188)로부터 취입하고, 액체 토출구(1190)로부터 DMFC(1110)의 애노드 입구(1114)로 송출하는 구성으로 되어 있다.

상기한 구성으로 조립한 연료 전지 시스템(1100)의 상면도를 도6에, 정면도를 도7에, 전방면 사시도를 도8에, 마찬가지로 전방면 사시도이며 연료 전지부의 덮개를 부착한 상태를 도9에, 연료 전지부의 덮개를 부착한 상태의 배면 사시도를 도10에 도시한다.

DMFC(1110)가 발전할 때의 반응은 발열 반응이므로, DMFC(1110)로 공기와 메 탄올 수용액을 공급함으로써, DMFC(1110)의 온도가 상승한다. 그래서, DMFC(1110)에는 도시하지 않은 서미스터 혹은 리미터를 부착하여 DMFC(1110)의 온도가 작동 온도(60 ±3 ℃)까지 －5 ℃ 정도(본 실시예의 경우 55 ℃)의 부분까지 가까이 하였을 때부터 축류 팬(1160)의 운전을 개시한다. 하우징(1170)의 축류 팬(1160)과 대향하는 위치에 공기구(1172)가 설치되어 있고, DMFC(1110)를 돌아 들어가는 위치에 공기구(1174)가 설치되어 있으므로, 축류 팬(1160)의 운전을 개시하면, 도11a 및 도11b와 같이 DMFC(1110)의 주위를 공기가 유통하고, DMFC(1110)는 공랭된다. 이에 의해, DMFC(1110)의 온도를 60 ±3 ℃로 설정할 수 있다.

DMFC(1110)의 캐소드로부터 배출되는 공기와 생성물은 캐소드 출구(1116)로부터 배출되고, DMFC(1110)의 애노드로부터 배출되는 메탄올 수용액과 이산화탄소는 애노드 출구(1118)로부터 배출된다. 캐소드 출구(1116) 및 애노드 출구(1118)로부터 배출된 배출물은 열교환기(1150)로 도입되고, 합류하여 버퍼 탱크(1130)로 들어간다. 공기 취입구(1184) 및 열교환기(1150)로는 DMFC(1110)의 작동 온도(60 ±3 ℃)보다 5 내지 15 ℃ 정도 낮은 온도의 공기가 공급된다. 따라서, DMFC(1110)로부터 배출된 70 ℃ 정도의 공기, 생성물, 메탄올 수용액, 이산화탄소 등은 열교환기(1150)에서 충분히 응축되므로, 외부로부터 수분을 보급할 필요성이 없어지고, 메탄올이 외부로 방출되어 소비량이 증가하는 것을 방지할 수 있다.

버퍼 탱크(1130)의 상부의 하우징(1170)에는 공기구(1176)가 설치되어 있고, 버퍼 탱크(1130)는 메탄올 탱크(1120)로부터의 메탄올을 소정의 농도(0.8 내지 1.5 ㏖/L, 본 실시예에서는 1.2 ㏖/L 정도)로 희석하는 희석용 탱크로서 이용하는 동시 에, 열교환기(1150)에서 충분히 냉각되어 유입된 공기, 생성물, 메탄올 수용액, 이산화탄소 등의 기액 분리 수단으로서 이용된다. 즉, 버퍼 탱크(1130)에서 기상의 공기나 이산화탄소가 공기구(1176)로부터 배출된다. 공기구(1176)에는 도시하지 않은 필터가 설치되어 있고, 포름산이나 포름알데히드 등의 부생성물은 공기구(1176)로부터 공기나 이산화탄소가 배출될 때에 필터에 흡착된다.

버퍼 탱크(1130)로는 메탄올 탱크(1120)로부터 정기적으로, 혹은 버퍼 탱크(1130) 내의 메탄올 수용액의 농도를 감시하고, 소정의 임계치, 예를 들어 0.8 ㏖/L을 하회한 것을 검출하였을 때에 고농도의 메탄올 수용액 또는 순메탄올이 보급된다. 메탄올 탱크(1120)는 내부에 유연성이 있고, 또한 내메탄올성을 갖는 재료로 구성된 팩(1122)이 수납되어 있다. 또한, 메탄올 탱크(1120)의 벽면(1124)[상면(1124a), 측면(1124b), 배면(1124c)]은 하우징(1170)의 일부를 구성하고 있고, 배면(1124c)에 설치된 공기구(1178)는 메탄올 탱크(1120) 속의 메탄올이 소비되고, 내부의 팩(1122)의 용적이 작게 되었을 때에 메탄올 탱크(1120)의 내부이며 팩(1122) 외측 부분이 연료 전지 시스템(1100) 외측과의 차압이 생기지 않도록 하는 것이다.

제어부(1140)는 도12에 도시한 바와 같이 연료 전지부(1192)와 이격되도록(분리 가능) 구성되어 있다. 부호 1142는 연료 전지부(1192)와 제어부(1140)를 전기적으로 접속하는 통신부이다. 통신부(1142)는 수증기 등의 출입이 없도록 연료 전지부(1192) 속에서 밀폐된 공간으로 되어 있다. 통신부(1142)는 커넥터(1144)를 거쳐서 제어부(1140)와 통신 및 전력의 수수(授受)가 가능하게 되어 있고, 커넥터 (1144)는 제어부(1140)측의 삽입부(1146)에 삽입하도록 되어 있다. 제어부(1140)는 본 발명의 연료 전지 시스템(1100)이 전력을 공급하는 대상에 의해 교환하는 것이 가능하고, 본 실시예의 경우, 노트 타입의 퍼스널 컴퓨터에 전력을 공급하기 위해 퍼스널 컴퓨터의 바닥면을 제어부(1140) 상에 적재하는 형상으로 되어 있다. 제어부(1140)도 작동 중에는 열이 발생하므로, 측면과 상면에 공기구(1179a와 1179b)가 설치되어 있다. 이와 같이 연료 전지부(1192)와 제어부(1140)를 분리 가능, 혹은 제어부(1140)를 전력 공급 대상에 맞추어 교환 가능하게 구성함으로써, 발전을 행하는 연료 전지부(1192)를 공통화하고, 다양한 어플리케이션에 대응시키는 것이 가능해진다.

(제3 실시예)

도13은 본 연료 전지 시스템(1200)의 구성을 도시한 상면 개략도이다. 연료 전지 시스템(1200)은 애노드에 메탄올 수용액 혹은 순메탄올을 공급함으로써 발전하는 DMFC(1210)와, 16 ㏖/L 이상의 고농도의 메탄올 수용액 혹은 순메탄올이 들어간 메탄올 탱크(1220)와, 메탄올 탱크(1220)로부터의 메탄올을 0.1 내지 2.0 ㏖/L 정도의 농도로 희석하고, DMFC(1210)로 공급하는 메탄올 수용액을 저장해 두는 버퍼 탱크(1230)와, 전력 변환 장치나 보조 기기류의 제어를 행하는 제어부(1240)와, 열교환기(1250)와, 편측 흡입 실로코 팬(1260)(도14에 도시)과, 하우징(1270)을 구비하고 있다.

DMFC(1210)의 캐소드로는 에어 펌프(1280)로부터 공기가 공급되고, 애노드로는 버퍼 탱크(1230)로부터 액체 펌프(1282)를 거쳐서 메탄올 수용액이 공급된다. 부호 1284는 에어 펌프(1280)의 공기 취입구로, 본 연료 전지 시스템(1200)의 중앙부에 설치되어 있다. 에어 펌프(1280)의 공기 취입구(1284)로부터 취입된 공기는 공기 토출구(1286)로부터 DMFC(1210)의 캐소드 입구(1212)로 송입된다. 한편, 액체 펌프(1282)는 버퍼 탱크(1230)로부터 1.2 ㏖/L 정도의 농도로 희석된 메탄올 수용액을 액체 취입구(288)로부터 취입하고, 액체 토출구(1290)로부터 DMFC(1210)의 애노드 입구(1214)로 송출하는 구성으로 되어 있다.

도14는 도13의 A-A' 단면에 있어서의 단면 개략도이다. 제2 실시예와 마찬가지로 DMFC(1210)의 온도가 55 ℃까지 근접하면, 본 실시예의 경우, 연료 전지 시스템(1200)의 바닥부에 부착된 편측 흡입 시로코팬(1260)의 운전을 개시한다. 연료 전지 시스템(1200)의 배면측에는 편측 흡입 시로코팬(1260)의 공기구가 설치되어 있고, DMFC(1210)를 돌아 들어가는 위치에 공기구(1274)가 설치되어 있으므로, 편측 흡입 시로코팬(1260)의 운전을 개시하면, 연료 전지 시스템(1200)의 배면측에 설치된 공기구로부터 편측 흡입 시로코팬(1260)을 거쳐서 취입된 공기는, 우선 열교환기(250)를 공랭한다. 그리고, 일부는 에어 펌프(1280)로 취입되고, 나머지는 DMFC(1210)의 주위를 유통하여 DMFC(1210)는 공랭하고, DMFC(1210)의 온도를 60 ±3 ℃로 조절한다. DMFC(1210)는, 도14에 도시한 바와 같이 내메탄올성이 우수한 수지로 이루어지는 바닥부 지지체(1294)에 지시되어 있고, DMFC(1210)의 바닥부도 공기를 유통할 수 있다.

DMFC(1210)의 캐소드로부터 배출되는 공기와 생성물은 캐소드 출구(1216)로부터 배출되고, DMFC(1210)의 애노드로부터 배출되는 메탄올 수용액과 이산화탄소 는 애노드 출구(1218)로부터 배출된다. 캐소드 출구(1216) 및 애노드 출구(1218)로부터 배출된 배출물은 열교환기(1250)로 도입되고, 합류하여 버퍼 탱크(1230)로 들어간다. DMFC(1210)로부터 배출된 70 ℃ 정도의 공기, 생성물, 메탄올 수용액, 이산화탄소 등은 열교환기(1250)에서 충분히 응축되므로, 외부로부터 수분을 보급할 필요성이 없어지고, 메탄올이 외부로 방출되어 소비량이 증가되는 것을 방지할 수 있다.

본 실시예에서는 편측 흡입 시로코팬(1260)을 이용하여 설명하였지만, 팬의 종류는 이것으로 한정되지 않고, 제2 실시예와 같이 축류 팬이라도 좋다. 단, 축류 팬을 이용하는 경우에는 연료 전지 시스템(1200)의 바닥부의 하우징에 다리(足)를 설치하고, 하우징 바닥부의 축류 팬과 대향하는 위치에 공기구를 설치할 필요가 있다.

본 실시 형태는 전자 기기와 전자 기기에 전력을 공급하는 DMFC 시스템을 탁상 위에 두고, 전자 기기를 이용할 때에 DMFC 시스템 내의 온도 관리를 적절하게 행함으로써 안정적으로 작동시킬 수 있고, 게다가 DMFC 시스템으로부터의 배기 열을 이용자를 향하게 하지 않고 배치할 수 있다.

본 실시 형태는 이용함으로써 노트 타입의 퍼스널 컴퓨터 등에 전력을 공급하는 휴대 기기용 DMFC 시스템으로 한정되지 않고, 차량 적재용 연료 전지 시스템에 있어서도 보조 기기류의 소비 전력을 저감시킬 수 있고, 또한 부품 점수를 줄여 시스템 구성을 콤팩트하게 할 수 있다고 생각된다.

Claims

액체 연료를 이용하여 발전하는 연료 전지와, 상기 액체 연료를 상기 연료 전지에 공급하는 연료 공급 수단과, 상기 연료 전지로부터의 배출 물질을 회수하는 배출 물질 회수 수단과, 상기 배출 물질을 냉각하는 열 매체를 상기 배출 물질 회수 수단으로 공급하는 열 매체 공급 수단을 구비하는 연료 전지 시스템에 있어서,

상기 열 매체는 상기 연료 전지를 냉각하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 배출 물질 회수 수단에 설치되어 상기 열 매체와 상기 배출 물질 사이에서 열교환을 행하는 동시에 상기 연료 전지에 공급되는 상기 액체 연료와, 상기 배출 물질 사이에서 열교환을 행하는 열교환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 열 매체는 상기 연료 전지 시스템의 외부에 존재하는 유체이고, 상기 연료 전지와 상기 배출 물질을 냉각하여 상기 연료 전지 시스템의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제2항에 있어서, 상기 열 매체는 상기 연료 전지 시스템의 외부에 존재하는 유체이고, 상기 연료 전지와 상기 배출 물질을 냉각하여 상기 연료 전지 시스템의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템의 내부에 설치되어 상기 연료 전지와 상기 배출 물질 회수 수단이 마련되는 연료 전지실과,

상기 연료 전지실에 설치되어 상기 열 매체가 상기 연료 전지실로 유입되는 열 매체 유입부와,

상기 연료 전지실에 설치되어 상기 열 매체가 상기 연료 전지실로부터 유출되는 열 매체 유출부를 구비하고,

상기 연료 전지실을 유통하는 상기 열 매체는 상기 열 매체 유입부로부터만 유입되고, 상기 열 매체 유출부로부터만 유출되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제2항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템의 내부에 설치되어 상기 연료 전지와 상기 배출 물질 회수 수단이 마련되는 연료 전지실과,

상기 연료 전지실에 설치되어 상기 열 매체가 상기 연료 전지실로 유입되는 열 매체 유입부와, 상기 연료 전지실에 설치되어 상기 열 매체가 상기 연료 전지실로부터 유출되는 열 매체 유출부를 구비하고,

상기 연료 전지실을 유통하는 상기 열 매체는 상기 열 매체 유입부로부터만 유입되고, 상기 열 매체 유출부로부터만 유출되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제3항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템의 내부에 설치되어 상기 연료 전지와 상기 배출 물질 회수 수단이 마련되는 연료 전지실과,

상기 연료 전지실에 설치되어 상기 열 매체가 상기 연료 전지실로 유입되는 열 매체 유입부와,

상기 연료 전지실에 설치되어 상기 열 매체가 상기 연료 전지실로부터 유출되는 열 매체 유출부를 구비하고,

상기 연료 전지실을 유통하는 상기 열 매체는 상기 열 매체 유입부로부터만 유입되고, 상기 열 매체 유출부로부터만 유출되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제5항에 있어서, 상기 연료 전지와 상기 열 매체 유입부는 인접하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제6항에 있어서, 상기 연료 전지와 상기 열 매체 유입부는 인접하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제7항에 있어서, 상기 연료 전지와 상기 열 매체 유입부는 인접하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제6항에 있어서, 상기 열교환부와 상기 열 매체 유출부는 인접하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제9항에 있어서, 상기 열교환부와 상기 열 매체 유출부는 인접하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 연료 전지는 다면 형상을 갖고,

상기 연료 전지 중 적어도 하나의 면은 상기 열 매체의 유통로와 인접하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
연료와 공기 중 산소에 의해 발전하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에 공기를 공급하는 공기 공급 수단을 구비하는 연료 전지 시스템에 있어서,

상기 연료 전지 시스템 외부로부터 공기를 취입하는 동시에 상기 연료 전지 시스템 내부의 공기를 외부로 배출하는 공기 유통 경로를 구비하고,

상기 공기 공급 수단의 공기 취입구는 상기 공기 유통 경로에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제14항에 있어서, 상기 연료 전지는 상기 공기 유통 경로에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제14항에 있어서, 상기 연료는 액체 연료인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제15항에 있어서, 상기 연료는 액체 연료인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제14항에 있어서, 공기와 상기 연료 전지로부터 배출되는 배출물을 열교환하는 열교환기를 구비하고,

상기 열교환기는 상기 공기 유통 경로에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제14항에 있어서, 상기 연료 전지를 포함하는 연료 전지부와, 상기 연료 전지를 제어하는 제어부를 갖고,

상기 연료 전지부와 상기 제어부가 분리 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.